مصفوفة شبكة الكرات: الهيكل، الأنواع، التجميع، والعيوب 

مصفوفة شبكة الكرة (BGA) هي حزمة شرائح مدمجة تستخدم كرات اللحام لإنشاء وصلات قوية وموثوقة على لوحة الدائرة. يدعم كثافة الدبابيس العالية، وتدفق الإشارة السريع، والتحكم الأفضل في الحرارة للأجهزة الإلكترونية الحديثة. تشرح هذه المقالة بالتفصيل كيفية عمل هياكل BGA، وأنواعها، وخطوات التجميع، والعيوب، والفحص، والإصلاح، والتطبيقات.

نظرة عامة على مصفوفة شبكة الكرة

مصفوفة شبكة الكرة (BGA) هي نوع من تغليف الشرائح يستخدم في لوحات الدوائر الإلكترونية، حيث تربط كرات اللحام الصغيرة المرتبة في شبكة الشريحة باللوحة. على عكس العبوات القديمة ذات الأرجل المعدنية الرقيقة، تستخدم BGA هذه الكرات الصغيرة لصنع توصيلات أقوى وأكثر موثوقية. داخل العبوة، ينقل ركيزة طبقية الإشارات من الشريحة إلى كل كرة لحام. عند تسخين اللوحة أثناء اللحام، تذوب الكرات وتثبت بقوة على الوسادات على لوحة الدوائر المطبوعة، مما يخلق روابط كهربائية وميكانيكية صلبة. تعد BGAs شائعة اليوم لأنها تستطيع وضع نقاط اتصال أكثر في مساحة صغيرة، وتسمح للإشارات بالمرور بمسارات أقصر، وتعمل بشكل جيد في الأجهزة التي تحتاج إلى معالجة سريعة. كما أنها تساعد في جعل المنتجات الإلكترونية أصغر وأخف وزنا دون فقدان الأداء.

تشريح مصفوفة شبكة الكرة

• يشكل مركب التغليف الطبقة الواقية الخارجية، مما يحمي الأجزاء الداخلية من التلف والتعرض البيئي.

• تحتها توجد شريحة السيليكون، التي تحتوي على الدوائر الوظيفية للشريحة وتؤدي جميع مهام المعالجة.

• يتم تثبيت القالب على ركيزة تحتوي على آثار نحاسية تعمل كمسارات كهربائية تربط الشريحة باللوحة.

• في الأسفل توجد مصفوفة كرات اللحام، وهي شبكة من كرات اللحام التي تربط حزمة BGA باللوحة أثناء التركيب.

إعادة تدفق BGA وعملية تكوين المفصل

• كرات اللحام متصلة بالفعل بأسفل حزمة BGA، مما يشكل نقاط الاتصال للجهاز.

• يتم تحضير لوحة الدوائر المطبوعة بتطبيق معجون اللحام على الوسائد حيث سيتم وضع BGA.

• أثناء اللحام المتكرر، يتم تسخين التجميع، مما يسبب ذوبان كرات اللحام واصطفافها طبيعيا مع الوسادات بسبب التوتر السطحي.

• مع تبريد اللحام وتصلبه، يشكل وصلات قوية وموحدة تضمن استقرار الاتصالات الكهربائية والميكانيكية بين المكون ولوحة الدوائر المطبوعة.

تكديس BGA PoP على لوحة مطبوعة مطبوعة

الحزمة على الحزمة (PoP) هي طريقة تكديس تعتمد على BGA حيث يتم وضع حزمتين متكاملتين عموديا لتوفير مساحة اللوحة. تحتوي الحزمة السفلية على المعالج الرئيسي، بينما غالبا ما تحتفظ الحزمة العليا بالذاكرة. تستخدم كلتا الحزمتين اتصالات لحام BGA، مما يسمح بمحاذاتهما وضمهما أثناء نفس عملية إعادة التدفق. يتيح هذا الهيكل بناء تجميعات مدمجة دون زيادة حجم لوحة الدوائر.

فوائد تكديس PoP

• يساعد في تقليل مساحة لوحة الدوائر المطبوعة، مما يجعل تخطيطات الأجهزة المدمجة والنحيفة ممكنة

• تقصير مسارات الإشارة بين المنطق والذاكرة، مما يحسن السرعة والكفاءة

• يسمح بتجميع وحدات الذاكرة والمعالجة بشكل منفصل قبل التكديس

• تمكين تكوينات مرنة، تدعم أحجام ذاكرة أو مستويات أداء مختلفة حسب متطلبات المنتج

أنواع حزم BGA

مزايا مصفوفة شبكة الكرة

كثافة دبابيس أعلى

يمكن لحزم BGA أن تحمل العديد من نقاط الاتصال في مساحة محدودة لأن كرات اللحام مرتبة في شبكة. يتيح هذا التصميم تركيب المزيد من المسارات للإشارات دون أن يصبح الشريحة أكبر.

الأداء الكهربائي الأفضل

نظرا لأن كرات اللحام تخلق مسارات قصيرة ومباشرة، يمكن للإشارات أن تتحرك أسرع وبمقاومة أقل. يساعد هذا الشريحة على العمل بكفاءة أكبر في الدوائر التي تتطلب اتصالا سريعا.

تحسين تبديد الحرارة

تنشر كرات اللحام الحرارة بشكل أكثر توازنا لأن كرات اللحام تسمح بتدفق حراري أفضل. هذا يقلل من خطر ارتفاع درجة الحرارة ويساعد الشريحة على البقاء لفترة أطول أثناء الاستخدام المستمر.

الاتصال الميكانيكي الأقوى

يتكون هيكل الكرة إلى الوسادة وصلات صلبة بعد اللحام. هذا يجعل الاتصال أكثر متانة وأقل عرضة للانكسار تحت الاهتزاز أو الحركة.

تصاميم أصغر وأخف وزنا

تغليف BGA يجعل من السهل بناء المنتجات المدمجة لأنه يستهلك مساحة أقل مقارنة بالأنواع القديمة.

عملية التجميع خطوة بخطوة لجمعية BGA 

• طباعة معجون اللحام

يقوم القناع المعدني بوضع كمية محسوبة من معجون اللحام على وسادات الدوائر المطبوعة. حجم المعجون المستمر يضمن ارتفاع المفصل المتساوي والترطيب المناسب أثناء إعادة التدفق.

• توزيع المكونات

نظام الالتقاط والوضع يضع حزمة BGA على الوسادات الملحومة. تتوافق الوسادات وكرات اللحام من خلال دقة الآلة والتوتر السطحي الطبيعي أثناء إعادة التدفق.

• لحام التدفق

تتحرك اللوح عبر فرن إعادة تدفق يتم التحكم فيه بدرجة حرارة، حيث تذوب كرات اللحام وتلتحق بالوسادات. الملف الحراري المحدد جيدا يمنع ارتفاع درجة الحرارة ويعزز تكوين مفاصل منتظمة.

• مرحلة التبريد

يتم تبريد التجميع تدريجيا لتصلب اللحام. يقلل التبريد المتحكم به من الإجهاد الداخلي، ويمنع التشقق، ويقلل من فرصة تكون الفراغ.

• فحص ما بعد إعادة التدفق

تخضع التجميعات النهائية للفحص من خلال التصوير بالأشعة السينية الآلي، أو اختبارات المسح الحدودي، أو التحقق الكهربائي. تؤكد هذه الفحوصات المحاذاة الصحيحة، وتكوين المفصل الكامل، وجودة الاتصال.

عيوب شبكة الكرة الشائعة

عدم المحاذاة - تتحرك حزمة BGA من موقعها الصحيح، مما يؤدي إلى جلوس كرات اللحام بشكل غير مركزي على الوسادات. الإزاحة المفرطة قد تؤدي إلى ضعف الوصلات أو الجسور أثناء إعادة التدفق.

الدوائر المفتوحة - يفشل وصلة اللحام في التكوين، مما يترك كرة منفصلة عن الوسادة. غالبا ما يحدث هذا بسبب نقص اللحام، أو ترسيب المعجون بشكل غير صحيح، أو تلوث الوسادة.

القصور / الجسور - الكرات المجاورة تتصل بشكل غير مقصود بسبب زيادة اللحام. عادة ما ينتج هذا العيب عن كثرة المعجون اللحامي، أو عدم محاذاة، أو تسخين غير مناسب.

فراغات - الجيوب الهوائية المحبوسة داخل وصلة اللحام تضعف هيكله وتقلل من تبديد الحرارة. قد تسبب الفراغات الكبيرة أعطالا متقطعة تحت تغيرات درجة الحرارة أو الحمل الكهربائي.

وصلات باردة 8.5 - اللحام الذي لا يذوب أو يبلل الوسادة بشكل صحيح يشكل وصلات باهتة وضعيفة. درجة حرارة غير متساوية، أو انخفاض الحرارة، أو ضعف تنشيط التدفق يمكن أن يؤدي إلى هذه المشكلة.

الكرات المفقودة أو الساقطة - تنفصل كرة أو أكثر من كرات اللحام عن العبوة، غالبا بسبب التعامل أثناء التجميع أو إعادة الكر، أو بسبب اصطدام ميكانيكي عرضي.

الوصلات المتشققة - تتكسر وصلات اللحام مع مرور الوقت بسبب الدورة الحرارية أو الاهتزاز أو انثناء اللوح. هذه الشقوق تضعف الاتصال الكهربائي وقد تؤدي إلى فشل طويل الأمد.

طرق الفحص في BGA

إعادة تصميم وإصلاح BGA

• تسخين اللوحة مسبقا لتقليل الصدمة الحرارية وتقليل فرق درجة الحرارة بين لوحة اللوح المطبوع ومصدر التسخين. هذا يساعد في منع التشوه أو التقشر المعدني.

• تطبيق الحرارة الموضعية باستخدام نظام إعادة العمل بالأشعة تحت الحمراء أو الهواء الساخن. التسخين المتحكم به يلين كرات اللحام دون أن يسخن المكونات القريبة أكثر من اللازم.

• إزالة BGA المعيبة باستخدام أداة التقاط مفرغ بمجرد وصول اللحام إلى نقطة الانصهار. هذا يمنع رفع الوسادة ويحمي سطح لوحة الدوائر المطبوعة.

• تنظيف الوسائد المكشوفة باستخدام فتيل اللحام أو أدوات تنظيف الكاشط الدقيقة لإزالة اللحام والبقايا القديمة. سطح الوسادة النظيف والمسطح يضمن الترطيب المناسب أثناء إعادة التجميع.

• وضع معجون لحام جديد أو إعادة تدوير المكون لاستعادة ارتفاع وتوزيع كرة اللحام بشكل متجانس. كلا الخيارين يجهزان العبوة للمحاذاة الصحيحة أثناء إعادة التدفق التالية.

• إعادة تركيب BGA وإجراء إعادة التدفق، مما يسمح للحام بالذوبان والمحاذاة الذاتية مع الوسائد عبر التوتر السطحي.

• إجراء فحص بالأشعة السينية بعد إعادة العمل لتأكيد تكوين المفصل الصحيح، ومحاذاتها، وغياب الفراغات أو الجسور.

تطبيقات BGA في الإلكترونيات

الأجهزة المحمولة

تستخدم BGA في الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية للمعالجات والذاكرة ووحدات إدارة الطاقة وشرائح الاتصالات. حجمها المدمج وكثافة الإدخال/الإخراج العالية يدعمان تصاميم نحيفة ومعالجة بيانات سريعة.

الحواسيب المحمولة واللابتوب

تستخدم المعالجات المركزية، وحدات الرسوميات، الشرائح ووحدات الذاكرة عالية السرعة حزم BGA بشكل شائع. تساعد مقاومتها الحرارية المنخفضة وأدائها الكهربائي القوي في التعامل مع أحمال العمل المتطلبة.

معدات الشبكات والاتصالات

تعتمد أجهزة التوجيه، والمفاتيح، ومحطات القاعدة، والوحدات البصرية على BGAs للدوائر المتكاملة عالية السرعة. تتيح الاتصالات المستقرة التعامل الفعال مع الإشارة ونقل البيانات بشكل موثوق.

الإلكترونيات الاستهلاكية

غالبا ما تحتوي أجهزة الألعاب، والتلفزيونات الذكية، والأجهزة القابلة للارتداء، والكاميرات، والأجهزة المنزلية على مكونات معالجة وذاكرة مثبتة على BGA. تدعم الحزمة تصاميم مدمجة وموثوقية طويلة الأمد.

إلكترونيات السيارات

تستخدم وحدات التحكم، ووحدات الرادار، وأنظمة المعلومات والترفيه، وإلكترونيات السلامة أجهزة BGA لأنها تتحمل الاهتزازات والدورة الحرارية عند تجميعها بشكل صحيح.

أنظمة الصناعة والأتمتة

تستخدم وحدات التحكم الحركية، ووحدات PLC، وأجهزة الروبوتات، ووحدات المراقبة معالجات وذاكرة قائمة على BGA لدعم التشغيل الدقيق ودورات العمل الطويلة.

الإلكترونيات الطبية

تدمج أجهزة التشخيص، وأنظمة التصوير، والأدوات الطبية المحمولة تقنيات BGA لتحقيق أداء مستقر، وتجميع مدمج، وإدارة حرارية محسنة.

مقارنة بين BGA وQFP وCSP

الخاتمة 

توفر تقنية BGA اتصالات قوية، وأداء إشارة سريعا، وتعامل فعال مع الحرارة في التصاميم الإلكترونية المدمجة. مع طرق التجميع والفحص والإصلاح المناسبة، تحافظ BGAs على موثوقية طويلة الأمد عبر العديد من التطبيقات المتقدمة. هيكلها وعملياتها ونقاط قوتها وتحدياتها تجعلها حلا أساسيا للأجهزة التي تتطلب تشغيلا مستقرا في مساحة محدودة.

الأسئلة الشائعة [الأسئلة الشائعة]

مم تصنع كرات اللحام BGA؟

عادة ما تصنع من سبائك قائمة على القصدير مثل SAC (القصدير-الفضة-النحاس) أو SnPb. تؤثر السبيكة على درجة حرارة الانصهار، وقوة المفصل، والمتانة.

لماذا يحدث تشويه BGA أثناء إعادة التدحرج؟

يحدث التشوه عندما يتمدد حزمة BGA ولوحة الدوائر المطبوعة بمعدلات مختلفة أثناء حرارتهما. هذا التمدد غير المتساو قد يسبب انحناء العبوة ورفع كرات اللحام عن الوسادات.

ما الذي يحد من الحد الأدنى لدرجة الميل في BGA التي يمكن أن تدعمها لوحة الدوائر المطبوعة؟

الحد الأدنى للميل يعتمد على عرض تتبع صانع الدوائر المطبوعة، وحدود المسافة، والحجم المناسب، وتكديسها. النغمات الصغيرة جدا تتطلب ميكروفيا وتصميم لوحات HDI (HDI).

كيف يتم فحص موثوقية BGA بعد التجميع؟

تستخدم اختبارات مثل دورة درجة الحرارة، واختبار الاهتزاز، واختبارات السقوط لكشف المفاصل الضعيفة أو الشقوق أو إجهاد المعدن.

ما هي قواعد تصميم لوحة المطبوعات المطلوبة عند التوجيه تحت BGA؟

يتطلب التوجيه مسارات مقاومة محكمة، وأنماط تفكير صحيحة، واستخدام الإشارة عبر المنصة عند الحاجة، والتعامل الدقيق مع إشارات السرعة العالية.

كيف يتم إجراء عملية إعادة الكرة في BGA؟

إعادة التدوير تزيل اللحام القديم، تنظف الوسادات، تضع قالبا، تضيف كرات لحام جديدة، تطبق التدفق، وتعيد تسخين العبوة لتثبيت الكرات بشكل متساو.